Bu protokol, özel yapım diffüz korelasyon spektroskopi aleti kullanarak insan prefrontal korteksinde istirahat durumu fonksiyonel bağlantısının nasıl ölçültilebildiğini göstermektedir. Raporda ayrıca deneyin pratik yönleri ve verileri analiz etmek için ayrıntılı adımlar tartışılmaktadır.
Serebral oksijen kaynağı ile ilgili önemli bir hemodinamik parametre olduğu için, insan beyninin kapsamlı bir anlayış elde etmek için, kontrast kaynağı olarak serebral kan akımı (CBF) kullanımı istenir. Oksijenasyon kontrastına dayalı istirahat durumu düşük frekanslı dalgalanmaların işlevsel olarak bağlı bölgeler arasında korelasyon sağladığı gösterilmiştir. Sunulan protokol, insan beyninde kan akışı tabanlı istirahat durumu fonksiyonel bağlantısını (RSFC) değerlendirmek için optik diffüz korelasyon spektroskopisi (DCS) kullanır. İnsan frontal kortekste CBF tabanlı RSFC sonuçları, her iki kortekste de bölgeler arası RSFC’ye kıyasla intra-bölgesel RSFC’nin sol ve sağ kortekslerde anlamlı olarak daha yüksek olduğunu göstermektedir. Bu protokol, özellikle pediatrik popülasyonda insan beyin fonksiyonlarını incelemek için çok modal görüntüleme teknikleri kullanan araştırmacıların ilgisini çekebilir.
Beyin istirahat halindeyken, işlevsel olarak ilişkili bölgelerde spontan aktivitenin yüksek senkronizasyonunu gösterir, bu da yakın bir yerde veya uzaktan bulunabilir. Bu senkronize bölgeler işlevselağlar1 ,2,3,,4,5,6,7,8,,9olarak bilinir., Bu fenomen ilk olarak, serebral kan5,10oksijenlenmedüzeylerini gösteren kan oksijen seviyesine bağlı (BOLD) sinyalleri kullanılarak yapılan fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI) çalışması ile ortaya çıkarıldı. RSFC anormallikleri gibi beyin bozuklukları ile ilişkili bulunmuştur11, Alzheimer12, ve depresyon13. Bu nedenle, RSFC sorun görev tabanlı değerlendirmeler icra sorun olan bozuklukları olan hastalar için değerli bir araçtır. Ancak, genç otistik çocuklar gibi birçok hasta, fMRI tarafından değerlendirilmesi için kötü adaylar, bu süre14,,15uzun bir süre için kapalı bir alanda hala kalan gerektirir gibi. Optik görüntüleme hızlı ve giyilebilir; bu nedenle, özellikle pediatrik popülasyon16, 17,,1818,19,20,2121,22,23,24olmak üzere hastaların çoğunluğu için uygundur. Bu avantajları kullanarak, fonksiyonel yakın kızılötesi spektroskopi (fNIRS), beyinde hemoglobin konsantrasyonu ve oksijen doygunluk parametreleri ölçmek için kullanılabilir, insanlarda RSFC ölçmek için kullanılır (pediatrik nüfus dahil4,8,25 ve otizm li hastalar11).
Optik diffüz korelasyon spektroskopisi (DCS), nispeten yeni bir optik teknik,serebralkan akışını ölçebilir, hangi metabolizma ile oksijen kaynağı ilişkilendiren önemli bir parametre 6,17,26,27,28,29. DCS tarafından ölçülen optik akış kontrastı oksijenasyon kontrastı30ile karşılaştırıldığında beyinde daha yüksek hassasiyete sahip olduğu gösterilmiştir. Bu nedenle, RSFC değerlendirmek için DCS kaynaklı CBF parametrelerinin kullanılması avantajlıdır.
DCS hareket eden kan hücrelerine karşı hassastır. Difüzyon fotonlar hareket eden kan hücrelerinden dağılım, bu zaman içinde dalgalanma tespit ışık yoğunluğu neden olur. DCS zaman ayarı merkezli yoğunluk otokorelasyon fonksiyonunu ölçer ve çürüme hızı optik parametrelere ve kan akışına bağlıdır. Bu değerler sonuçta serebral kan akımı indeksi elde etmek için kullanılır (CBFi). Daha hızlı hareket eden kan hücreleri ile yoğunluk otokorelasyon fonksiyonu daha hızlı çürür. Bu nedenle, doku yüzeyinin derinliklerindeki hareket le ilgili bilgiler zaman içinde yayılan ışık dalgalanmalarının ölçümlerinden (örneğin, beyinde) elde edilebilir27,31,32,33,,34,35.35 DCS kan oksijenasyon17,36ölçer yaygın olarak bilinen fNIRS tamamlayıcı bir tekniktir. Hem fNIRS hem de DCS milisaniye aralığında yüksek zamansal çözünürlüğe sahip optik beyin görüntüleme teknikleri olduğundan, optik görüntüleme kurulumları hareket yapılarına fMRI’den çok daha az duyarlıdır. Ayrıca çok küçük bebekler de dahil olmak üzere pediatrik popülasyonlarda fonksiyonel beyin görüntüleme için başarıyla kullanılmıştır16. Daha önce, yüzeyel kan akımı ölçümleri farelerde klinik öncesi çalışmalarda RSFC değerlendirmek için kullanılmıştır37. Burada, kan akımı parametreleri bir kanıtı-of-kavram çalışması38,39olarak dokuz sağlıklı yetişkin RSFC ölçmek için kullanılır.
Bu çalışmada, ticari bir FD-fNIRS sistemi ve özel DCS sistemi kullanılmaktadır(Bkz. Malzeme Tablosu). Şirket içinde inşa edilen DCS iki 785 nm, 100 mW, uzun tutarlılık uzunluğu sürekli dalga lazerler bir FC konektör ve sekiz tek foton sayma makineleri (SPCM) bir otomatik correlator bağlı birleştiğinde oluşur. Özel bir yazılım grafik kullanıcı arayüzü (GUI) da görüntülemek ve foton sayıları, otokorelasyon eğrileri ve gerçek zamanlı olarak her SPCM kanalının yarı kan akışını kaydetmek için bu sistem için özel olarak yapıldı. Bu sistemdeki parçalar genellikle DCS16,17,31,,32,40,42,43,44için kullanılır ve elde edilen sonuçlar da şirket içinde doğrulanmış ve yeni bir çalışmada39kullanılır .43
CBF olarak DCS tarafından ölçülen doğru RSFC tespit olup olmadığını belirlemek için, bilinen RSFC özellikleri ile beynin iki alan incelenmiştir. DLFC bölgeleri ile DLFC ve IFC arasında fonksiyonelbağlantının 57,58,59olarak varsayıldığı varsayılır.59 Bölge içi bağlantı genellikle daha yüksek olduğundan, sol ve sağ DLFC içindeki iki site arasındaki bağlantı seçildi. Ayrıca, bölgeler arası bağ…
The authors have nothing to disclose.
Yazarlar Ohio Üçüncü Sınır Ohio Görüntüleme Araştırma ve Yenilik Ağı (OIRAIN, 667750) ve Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı (No. 81771876) mali destek kabul etmek istiyorum.
3D Printed Probe | In-house | N/A | 3D printed PLA probe (Craftbot, Craft unique) |
785nm, 100mW, CW, FC coupled Laser | CrystaLaser | DL785-100-S | DCS component (light source) |
Auto-correlator | Correlator.com | Flex05-8ch | DCS component (output g2 curve to PC) |
Data Acquisition GUI | In-house | N/A | GUI coded in LabVIEW to run the DCS system |
Data analysis software | In-house | N/A | Matlab code used for obtaining RSFC results |
EEG Electrode Cap | OpenBCI | N/A | EEG mesh cap with standard 10/20 positions |
Multi-mode fiber | OZ Optics | QMMJ-3,2.5-IRVIS-600/630-3PCBK-3 | DCS component (source fiber) |
Oxiplex calibration phantom | ISS | 75019, 75020 | Set of 2 PDMS Calibration Phantom |
Oxiplex muscle probe | ISS | 86010 | 4 channel muscle probe |
Oxiplex Oximeter | ISS | 95205 | FD-fNIRS (690nm, 830nm) |
Power meter | Thorlabs | PM100D | Laser light power adjuster |
Sensor card | Thorlabs | F-IRC1-S | laser IR beam viewer |
Single-mode fiber | OZ Optics | SMJ-3S2.5-780-5/125-3PCBK-3 | DCS component (detector fiber) |
Single-Photon Counting Machine | Excelitas | SPMC-NIR-1×2-FC | DCS component (detector) |